Wärmetauscher

Abstract

 Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Wärmetauscher 1, bei dem wenigstens eine der unteren Wärmetauscherstufen einen Umlenkabscheider 3, 4, 5 mit horizontalem Gaseintrittsstutzen 3a, 4a, 5a und Gasaustrittsstutzen 3b, 4b, 5b enthält, während wenigstens die obere Wärmetauscherstufe einen üblichen Zyklon 6 aufweist. Dadurch ergibt sich eine wesentliche Verringerung des Energiebedarfes, des Bauvolumens und der Bauhöhe.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft einen mehrstufigen Wärmetauscher zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut mit einem heißen Gasstrom, der den mehrere übereinander angeordnete Wärmetauscherstufen enthaltenden Wärmetauscher von unten nach oben durchströmt, wobei das dem Wärmetauscher oben zugeführte Gut wiederholt aus dem Gasstrom abgeschieden und dann in der nächst tieferen Wärmetauscherstufe erneut in den Gasstrom eingeführt wird, wobei wenigstens eine der unteren Wärmetauscherstufen einen Umlenkabscheider enthält, dessen Gaseintrittsstutzen und Gasaustrittsstutzen am Umfang des Umlenkabscheiders gegeneinander versetzt und in unterschiedlicher Höhenlage oberhalb eines Abscheidetrichters angeordnet sind und wenigstens die oberste Wärmetauscherstufe einen Zyklon mit horizontalem Gaseintrittsstutzen und vertikalem Tauchrohr aufweist.

[0002] Bekannte Wärmetauscher zur Vorwärmung von feinkörnigem Gut (etwa von Zementrohmehl) vor einem nachfolgenden Brenn- bzw. Sinterprozeß bestehen aus einer Anzahl von über ihre Gas- und Gutleitungen miteinander verbundenen Zyklonen, die vom Gut - im Gegenstrom zum heißen Gas - nacheinander durchsetzt werden. Durch die Hintereinanderschaltung mehrerer Zyklonstufen ergibt sich - über den gesamten Wärmetauscher betrachtet - eine fast ideale Gegenstrombewegung von Gas und Gut und damit ein sehr hoher thermischer Wirkungsgrad der Wärmeübertragung.

[0003] Nachteilig ist bei diesen bekannten Ausführungen der verhältnismäßig hohe Energiebedarf, der durch die überwindung des großen Strömungswiderstandes der mehreren Zyklonstufen bedingt ist. Ungünstig ist ferner das beträchtliche Bauvolumen, insbesondere die große Bauhöhe eines solchen mehrstufigen Zyklonwärmetauschers.

[0004] Es ist weiterhin ein mehrstufiger Wärmetauscher bekannt (DE-AS 12 80 486),der in drei Wärmetauscherstufen einen Umlenkabscheider und in der letzten Wärmetauscherstufe einen Zyklon enthält. Die Umlenkabscheider besitzen dabei eine im Grundriß rechteckige Entspannungskammer mit trichterförmigem Boden, in die auf der einen Seite von unten her ein Eintrittskanal für den heißen Gasstrom einmündet, aus der auf der gegenüberliegenden Seite nach oben ein Absaugkanal herausführt, wobei in der Decke der Kammer ein Aufgaberohr für das in der nächst höheren Stufe ausgeschiedene Gut einmündet.

[0005] Ein derartiger Umlenkabscheider besitzt zwar einen wesentlich geringeren Druckverlust als ein üblicher Zyklon, er ist jedoch andererseits mit dem Nachteil eines sehr schlechten Abscheidegrades behaftet. Sehr nachteilig ist bei dieser bekannten Ausführung weiterhin, daß das über die Decke der Entspannungskammer in den Umlenkabscheider eingeführte Gut mit dem heißen Gasstrom nur eine ganz kurze Zeit in Berührung steht, ehe es in der Entspannungskammer aus dem Gasstrom wieder abgeschieden wird; dadurch ergibt sich ein schlechter Wärmeübertragungsgrad.

[0006] Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, unter Vermeidung dieser Nachteile der bekannten Ausführungen einen mehrstufigen Wärmetauscher der eingangs genannten Art zu schaffen, der sich durch einen guten Abscheidungsgrad und einen niedrigen Druckverlust und damit durch einen guten thermischen Wirkungsgrad, einen vergleichsweise geringen Engergiebedarf und ein niedriges Bauvolumen auszeichnet.

[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch folgende Merkmale gelöst:

a) Die Umlenkabscheider weisen über ihrem Abscheidetrichter einen Oberteil von zylindrischem Querschnitt auf;

b) der Gaseintrittsstutzen ist tangential an diesen zylindrischen Oberteil der Umlenkabscheider angeschlossen;

c) die Gutaustragsleitungen der einzelnen Wärmetauscherstufen münden jeweils in die zum Gaseintrittsstutzen des Umlenkabscheiders der nächst tieferen Wärmetauscherstufe führenden Gasleitung ein.

[0008] Wie eingehende Untersuchungen zeigten, läuft bei dem erfindungsgemäßen Umlenkabscheider die Abscheidung des Gutes aus dem Gasstrom im wesentlichen in drei Phasen ab:

- Beim tangentialen Eintritt des guthaltigen Gasstromes in den zylindrischen Oberteil des Umlenkabscheiders erfolgt eine Abscheidung des Feststoffes durch erzwungene Fliehkräfte;

- eine weitere Staubabscheidung geschieht durch Schwerkraft bei der anschließenden Bewegung des guthaltigen Gasstromes im Innern des Umlenkabscheiders;

- in einer dritten Phase der Entstaubung erfolgt eine Staubabscheidung durch Fliehkräfte bei der Umlenkung der Gasströmung, die durch die unterschiedliche Höhenlage von Gaseintrittsstutzen und Gasaustrittsstutzen bedingt ist.

[0009] Der bei dem erfindungsgemäßen Wärmetauscher verwendete Umlenkabscheider vereinigt damit die wesentlichen Vorzüge des bekannten Gaszyklons (hoher Abscheidungsgrad) mit denen des Umlenkabscheiders (niedriger Druckverlust), vermeidet jedoch deren Nachteile. Tatsächlich ist der Abscheidegrad des erfindungsgemäß verwendeten Umlenkabscheiders nur wenig schlechter als der eines üblichen Zyklons, wobei der thermische Wirkungsgrad nur unerheblich beeinträchtigt wird. Durch den im Vergleich zu einem Zyklon wesentlich niedrigeren Druckverlust des erfindungsgemäßen Umlenkabscheiders ergibt sich insgesamt ein deutlich verringerter Energiebedarf. Die Erfindung nutzt dabei die Erkenntnis aus, daß in einem Zyklon der größte Teil der Feststoffe bereits während des ersten Umlaufes bzw. durch eine einzige Strömungsumlenkung abgeschieden wird, während die Abscheidung des kleinen Restteiles der Feststoffe vieler Umläufe bedarf, was den Hauptteil des Druckverlustes darstellt.

[0010] Verglichen mit den oben geschilderten bekannten Umlenkabscheidern (mit rechteckigem Querschnitt und Gutzuführung durch die Decke des Abscheiders) zeichnet sich der erfindungsgemäße Umlenkabscheider durch einen wesentlich verlängerten Kontakt zwischen Gut und Gas - somit durch eine bessere Wärmeübertragung - und durch eine ganz erheblich verbesserte Abscheidung des Feststoffes aus.

[0011] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche und werden im Zusammenhang mit der Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine schematische Seitenansicht eines mehrstufigen Wärmetauschers (mit nachgeschaltetem Drehrohrofen),

Fig. 2 und 3 Seitenansicht und Aufsicht eines ersten Ausführungsbeispieles eines Umlenkabscheiders;

Fig. 4 und 5 Seitenansicht und Aufsicht einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Umlenkabscheiders.

[0012] Der in Fig. 1 in ganz schematischer Form dargestellte mehrstufige Wärmetauscher 1 dient zur Vorwärmung von feinkörnigem Gut, das anschließend in einem Drehrohrofen 2 gebrannt bzw. gesintert wird. Der Wärmetauscher 1 besteht aus vier übereinander angeordneten Wärmetauscherstufen, von denen die drei unteren Stufen Umlenkabscheider 3, 4 und 5 und die oberste Stufe einen Zyklon 6 enthalten.Eine Gasleitung 7 führt die heißen Abgase des Drehrohrofens 2 dem Umlenkabscheider 3 zu. Eine Gasleitung 8 verbindet die Umlenkabscheider 3 und 4, eine Gasleitung 9 die Umlenkabscheider 4 und 5 und eine Gasleitung 10 den Umlenkabscheider 5 mit dem Zyklon 6. Gutaustragsleitungen 11, 12, 13 und 14 führen das im Zyklon 6 bwz. in den Umlenkabscheidern 3, 4 und 5 abgeschiedene Gut jeweils in die Gasleitung der nächst tieferen Stufe (bzw. - Gutleitung 14 - in den Drehrohrofen 2).

[0013] Der in der obersten Stufe des Wärmetauschers 1 vorgesehene Zyklon 6 ist in bekannter Weise mit einem horizontalen Gaseintrittsstutzen 6a und einem vertikalen Tauchrohr und Gasaustrittsstutzen 6b versehen. Die Umlenkabscheider 3, 4 und 5 besitzen demgegenüber in horizontalen Ebenen unterschiedlicher Höhenlage angeordnete Gaseintrittsstutzen 3a bzw. 4a, 5a und Gasaustrittsstutzen 3b bzw. 4b, 5b.

[0014] Die Fig. 2 bis 5 zeigen zwei Ausführungsbeispiele derartiger Umlenkabscheider.

[0015] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 und 3 enthält der Umlenkabscheider einen oberen zylindrischen Teil 15 und einen unteren Abscheidetrichter 16. An den oberen zylindrischen Teil ist tangential ein Gaseintrittsstutzen 17 und radial ein Gasaustrittsstutzen 18 angeschlossen. Diese beiden Stutzen sind in horizontalen Ebenen unterschiedlicher Höhenlage angeordnet. Der Abstand a zwischen diesen horizontalen Ebenen 19, 20 beträgt das 0,5- bis 1,0- fache, vorzugsweise das 0,6- bis 0,8-fache der Höhe H des Gaseintrittsstutzens 17. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Gaseintrittsstutzen 17 höher als der Gasaustrittsstutzen 18 angeordnet.

[0016] Der Gaseintrittsstutzen 17 und der Gasaustrittsstutzen 18 sind am Umfang des Umlenkabscheiders gegeneinander versetzt. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Versetzung annähernd 180°; es ist jedoch auch eine geringere Versetzung, beispielsweise um etwa 90°, möglich.

[0017] Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 und 5 ist an den oberen zylindrischen Teil 15' des Umlenkabscheiders tangential ein Gaseintrittsstutzen 17' und radial ein Gasaustrittsstutzen 18' angeschlossen, wobei hier jedoch der Gaseintrittsstutzen 17' tiefer als der Gasaustrittsstutzen 18' vorgesehen ist.

[0018] Strömungstechnische Versuche ergaben für einen Umlenkabscheider gemäß den Fig. 2 und 3 folgende optimalen geometrischen Verhältnisse:

- Verhältnis von Höhe zu Breite des Gaseintrittsstutzens = 1,5

- Verhältnis von Eintritts- zu Austrittsquerschnitt = 0,85

- Verhältnis des Durchmessers des zylindrischen Oberteiles des Umlenkabscheiders zum Durchmesser des Gasaustrittsstutzens = 1,5

- Verhältnis von Höhe zu Durchmesser des zylindrischen Oberteiles = 1,0 bis 1,3

- Konuswinkel des Abscheidetrichters = 50°

- Verhältnis der Eintauchtiefe zum Durchmesser des Gasaustrittsstutzens = 0,6.

[0019] Zur Erläuterung des durch die Erfindung erzielten technischen Fortschrittes diene folgende Gegenüberstellung (Relativzahlen) zwischen den Daten eines üblichen Zyklons und eines erfindungsgemäßen Umlenkabscheiders gemäß den Fig. 2 und 3:

[0020] Da der Abscheidegrad des erfindungsgemäßen Umlenkscheiders je nach Auslegung zwischen 70 und 95% liegt, wird der thermische Wirkungsgrad des Wärmetauschers kaum beeinträchtigt. Durch die gegenüber einem Zyklon wesentlich einfachere Strömungsführung des erfindungsgemäßen Umlenkabscheiders ergibt sich eine drastische Verringerung des Energiebedarfes und eine erhebliche Verkleinerung von Bauhöhe und Bauvolumen. Diese Vorteile machen sich bescnders bei großen Anlagen in einer erheblichen Verringerung der Anlage- und Betriebskosten bemerkbar.

[0021] Wie die Fig. 3 und 5 zeigen, kann der Gasaustrittsstutzen in Form eines Tauchrohres ein Stück in den Innenraum des zylindrischen Teiles des Umlenkabscheiders hineinragen. Der optimale Wert dieser Eindringtiefe wird zweckmäßig durch Versuche festgelegt.

Ansprüche

1. Mehrstufiger Wärmetauscher zur Wärmebehandlung von feinkörnigem Gut mit einem heißen Gasstrom, der den mehrere übereinander angeordnete Wärmetauscherstufen enthaltenden Wärmetauscher von unten nach oben durchströmt, wobei das dem Wärmetauscher oben zugeführte Gut wiederholt aus dem Gasstrom abgeschieden und dann in der nächst tieferen Wärmetauscherstufe erneut in den Gasstrom eingeführt wird, wobei wenigstens eine der unteren Wärmetauscherstufen einen Umlenkabscheider enthält, dessen Gaseintrittsstutzen und Gasaustrittsstutzen am Umfang des Umlenkabscheiders gegeneinander versetzt und in unterschiedlicher Höhenlage oberhalb eines Abscheidetrichters angeordnet sind und wenigstens die oberste Wärmetauscherstufe einen Zyklon mit horizontalem Gaseintrittsstutzen und vertikalem Tauchrohr aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) Die Umlenkabscheider (3, 4 bzw. 5) weisen über ihrem Abscheidetrichter einen Oberteil (15, 15') von zylindrischem Querschnitt auf;

b) der Gaseintrittsstutzen (17, 17') ist tangential an diesen zylindrischen Oberteil (15, 15') der Umlenkabscheider (3, 4 bzw.5) angeschlossen;

c) die Gutaustragsleitungen (13, 12 bzw. 11) der einzelnen Wärmetauscherstufen münden jeweils in die zum Gaseintrittsstutzen des Umlenkabscheiders (3, 4 bzw. 5) der nächst tieferen Wärmetauscherstufe führende Gasleitung (7, 8 bzw. 9) ein.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittsstutzen (17, 17') tangential an den zylindrischen Oberteil (15, 15') des Umlenkabscheiders angeschlossen ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gasaustrittsstutzen (18, 18') radial an den zylindrischen Oberteil (15, 15') des Umlenkabscheiders angeschlossen ist.

4. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (a) zwischen den horizontalen Ebenen (19, 20), in denen die Achsen von Gaseintrittsstutzen (17) und Gasaustrittsstutzen (18) liegen, den 0,5- bis 1,0-fachen, vorzugsweise den 0,6- bis 0,8- fachen Wert der Höhe (H) des Gaseintrittsstutzens aufweist.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittsstutzen (17) höher als der Gasaustrittsstutzen (18) angeordnet ist.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittsstutzen (17') tiefer als der Gasaustrittsstutzen (18') angeordnet ist.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gaseintrittsstutzen (17, 17') und der Gasaustrittsstutzen (18, 18') um bis zu 180° am Umfang des Umlenkabscheiders gegeneinander versetzt sind.

Zeichnung